Curso: Neurobiología del Sueño 2017

Transcripción

1 Curso: Neurobiología del Sueño 2017 Teórico: Actividad eléctrica cerebral durante el sueño. MSc. Matías Cavelli Laboratorio de Neurobiología del Sueño, Departamento de Fisiología, Facultad de Medicina, UdelaR.

2 Breve historia 1770 Luigi Galvani (Italiano), publica observaciones sobre la electricidad animal 1848 y 1849 Emil du Bois Raymond (Alemán) Investigaciones sobre la electricidad animal (EMG) 1875 Richard Caton (ingles) fue el primero en observar la actividad eléctrica cerebral, continua y espontánea. Principios de la Medicina del Sueño, Kriger et al. 5th_edition

3 Hans Berger Se le considera el padre de la electroencefalografía 1924 dedujo que debían existir ondas cerebrales 1929 publicó su descubrimiento: actividad eléctrica cerebral espontánea en humanos. Principios de la Medicina del Sueño, Kriger et al. 5th_edition

4 EEG La electroencefalografía (EEG) es una exploración neurofisiológica que se basa en el registro de la actividad bioeléctrica cerebral en condiciones basales de reposo, en vigilia o sueño, así como durante diversas activaciones o estimulaciones y se realiza mediante un equipo de electroencefalografía.

5 EEG Electrodos de registro Sistema de amplificación Polígrafo y/o tarjeta A/D Computador Software de adquisición y análisis de datos Todo el set-up debe estar aislada para evitar señales artefactuales

6 Sistema 10-20

7 Sistema Internacional, estándar de colocación de electrodos Sistema que permite estandarizar la localización de los electrodos utilizando referencias craneales Los electrodos se colocan espaciados en un 10 20% entre si y en relación a determinadas referencias craneales Varia de un individuo a otro de acuerdo al tamaño y la forma de cráneo pero las proporciones se mantienen Principios de la Medicina del Sueño, Kriger et al. 5th_edition

8 Sistema 10-20

9 Cada registro se ve como voltaje en función del tiempo Cada canal del EEG corresponde una diferencia de potencial eléctrico entre electrodos ( V = G1-G2) Los arreglos de electrodos pueden ser: Bipolares: G1 y G2 son electrodos activos Referenciales o contra un indiferente: solo uno de los electrodos es activo mientras que el segundo es montado sobre un punto de referencia o cero (inactivo) (AV = G1-Ind)

10 Si V=F4-C4, cual es el V si ambos electrodos están a 10 µv? Y si estuvieran a 1000 µv? Que tipo de arreglo es este?

11 Condicionamiento de la señal biológica Protección de la señal biológica contra diversos artefactos Amplificación Filtros análogos y/o digitales Digitalización de la señal

12 QUE REGISTRA EL EEG? La suma algebraica de todos los potenciales extracelulares generados por la actividad de células excitables. Principalmente los potenciales post-sinápticos de las neuronas piramidales en la corteza cerebral

13 Neurona piramidal de la corteza Micro electrodos (arreglo referencial) Amplificador diferencial tarjeta A/D Software de adquisición y análisis Principles of Neural Science, E. Kandel et. al, 5th_edition

14 Registro de actividad poblacional Macroelectrodos Registran la suma de todos los potenciales extracelulares en la cercanía al electrodo de registro Principles of Neural Science, E Kandel et. al, 5th_edition

15 Que obtendría en un registro bipolar si todas las entradas sinápticas sobre la corteza se dieran al azar?

16 La actividad sincrónica de grandes poblaciones neuronales, son las responsables de generar la actividad oscilatoria característica del electroencefalograma (EEG). La frecuencia y los patrones de tales oscilaciones varían de acuerdo al estado comportamental del individuo.

17 EEG característico del humano

18 Vigilia Vigilia tranquila Fase 1 Fase 2 Fase 3, SWS o sueño de ondas lentas Fundamental Neuroscience, 3erd_edition

19 Polisomnografía como herramienta básica para clasificar los estados comportamentales Principles of Neural Science, E Kandel et. al, 5th_edition

20 Cuando los electrodos de registros se colocan dentro de el cráneo y sobre las cortezas cerebrales también se le denomina electrograma cortical o electrocorticograma (ECoG) Utilizado en animales o en pacientes en la clínica neurológica (epilepsia). Mejora la calidad del registro y permite acceso a las altas frecuencias

21 Polisomnografía gato durante la vigilia Matías Cavelli, Tesis de Maestría en Neurociencia, 2015

22 Polisomnografía gato durante el sueño lento Matías Cavelli, Tesis de Maestría en Neurociencia, 2015

23 Polisomnografía gato durante el sueño REM Matías Cavelli, Tesis de Maestría en Neurociencia, 2015

24 Polisomnografía en roedores

25 Vigilia en la rata alvina Matías Cavelli, sin publicar

26 Sueño NREM en la rata alvina Matías Cavelli, sin publicar

27 Sueño REM en la rata alvina Matías Cavelli, sin publicar

28 Sueño El sueño es un estado comportamental conservado en el reino animal Varias de sus características electrográficas están altamente conservadas en los mamíferos Diferentes especies pueden presentan algunas diferencia electrográficas características

29 Estos patrones particulares de actividad sirven para la caracterización de los diferentes estados comportamentales

30 Las ondas lentas (0.1-4 Hz), también denominada ondas delta, son características del snrem así como del estado de inconsciencia generado por los anestésicos generales tradicionales. Son generadas por cambios de estado en las neuronas del loop talamo-cortical Maloney et al., 1997; Mashour, 2006; Torterolo and Vanini, 2010

31 Durante el srem así como durante la vigilia con actividad exploratoria, aparece un patrón de actividad denominado theta (4-9 Hz) correspondiente a la actividad oscilatoria del hipocampo la cual se observa desde el neocortex predominantemente en roedores. Gatos y humanos en registros profundos del hipocampo aunque puede observarse otra clase de actividad theta durante la vigilia tranquila en cortezas. Buzsaki, 2006; Matías Cavelli, Tesis de Maestría en Neurociencia, 2015

32 La actividad alfa (8-13 Hz) fue uno de los primeros ritmos bioeléctricos corticales caracterizados. Se observa en humanos en cortezas occipitales y es característico de la vigilia con los ojos cerrados. Dicho ritmo no aparece con la misma claridad ni en gatos ni en roedores. Fundamental Neuroscience, 3erd_edition

33 La actividad sigma (9-15 Hz) corresponde a los husos de sueño característicos del snrem los cuales son generados a nivel del loop tálamo-cortical. Guardan relación con los procesos plásticos de aprendizaje y memoria que se dan durante el sueño recientemente se encontró que varias características de esta actividad guardan relación directa con el desempeño y la inteligencia de los individuos durante la vigilia Fundamental Neuroscience, 3erd_edition

34 Entre los 15 y 30 Hz se encuentra la banda beta de frecuencia La actividad por encima de esta banda comienza a denominarse actividad de alta frecuencia Aumente durante la vigilia activa así como durante ciertas tareas Fundamental Neuroscience, 3erd_edition

35 A las oscilaciones del EEG que se observan en el rango de frecuencia de 30 a 100 Hz se le denomina actividad u oscilaciones gamma. Las oscilaciones gamma se encuentran fuertemente vinculadas a las funciones cognitivas. Se postula que la sincronización gamma entre áreas distantes de la corteza es un correlato neural de la percepción unificada y consiente. Castro et al 2013; Matías Cavelli, Tesis de Maestría en Neurociencia, 2015

36 high-frequency-oscillations, HFO Recientemente, se ha descrito un nuevo tipo de actividad oscilatoria de alta frecuencia que se produce entre 110 y 160 Hz ( highfrequency-oscillations, HFO) Las HFO se caracterizan por presentar comodulación con el ritmo theta hipocampal durante la vigilia activa y el sueño REM

37 HFO High Frequency Oscillations ( Hz) Cavelli et al 2017, EJN

38 Análisis cuantitativo del EEG Potencia espectral (FFT, wavelets) brain mapping Análisis de sincronización o conectividad entre áreas (correlación de ondas, coherencia de fase, coherencia amplitud, etc.) Análisis de acople entre frecuencias cross frequency coupling (CFC)

39 Un poco de nuestro trabajo como ejemplo de registro y análisis cuantitativo del EEG

40 Análisis cuantitativo y bandas de frecuencia características del EEG HFO Promedios de la potencia espectral durante la vigilia y el sueño en la rata Matías Cavelli, Tesis de Maestría en Neurociencia, 2015

41 Oscilaciones gamma ( Hz) Las oscilaciones gamma se encuentran fuertemente vinculadas a las funciones cognitivas e incluso se postula que la coherencia gamma entre áreas distantes de la corteza es uno de los correlato neural de la percepción unificada y consiente. Gray et al. 1998; Varela et al. 2001; Fries et al. 2005

42 Aumento de la coherencia gamma ( Hz) durante la vigilia activa Castro et al 2013; Tesis de Maestría en Neurociencia, 2014

43 MGP (µv / Hz) MGP (µv / Hz) MGP (µv 2 / Hz) MGC MGC MGC MGP / MGC MGP / MGC MGP / MGC Cavelli et al. SUB 2017 Poder Coherencia Relación Normalizada Gato (N=6) ,8 1,6 * * * 1,4 0,6 1,2 0,4 1 0,2 0,8 0,6 0 0,4 Rata (N=19) * 0,5 2 * 0,4 1,5 * 0,3 0,2 1 0,1 0,5 0 0 Raton (N=6) ,8 1,6 * * * 1,4 0,6 1,2 0,4 1 0,2 0,8 0,6 0 0,4 Vigilia sueño N REM sueño R EM

44 Cavelli et al TBR Concluimos Durante el srem, a pesar de tener un EEG localmente activado, existe un desacople de la actividad gamma de frecuencias entre áreas de la neocorteza. Dado que este acoplamiento y desacoplamiento de corto y largo alcance entre áreas corticales, en la banda gamma de frecuencias, se observan en felinos, roedores y también en humanos, consideramos que este es un rasgo característico y conservado del srem en mamíferos.

45 Inducción de sueños lucidos mediante estimulación eléctrica frontotemporal de la actividad gamma

46 Sumario Un poco de historia de la electricidad animal EEG registro de la actividad bioeléctrica cerebral Como se registra un EEG en humanos Que es lo que registra el EEG Patrones normales del EEG durante la vigilia y el sueño Patrones conservados en los mamíferos Bandas de frecuencia EEG cuantitativo Algunos ejemplos de nuestro trabajo en el Lab

47 Gracias

48

49 high-frequency-oscillations, HFO Recientemente, se ha descrito un nuevo tipo de actividad oscilatoria de alta frecuencia que se produce entre 100 y 160 Hz ( highfrequency-oscillations, HFO) Las HFO se caracterizan por presentar comodulación con el ritmo theta hipocampal durante la vigilia y el sueño REM

50 Cavelli et al 2017, en preparación

51 Cavelli et al 2017, en preparación

52 Cavelli et al 2017, en preparación

53 Potencia y coherencia gamma durante el sueño y la vigilia durante el srem la potenia gamma aumenta a valores similares a los de la vigilia sin embargo las áreas distantes presentan el máximo desacople a estas frecuencias. Castro et al 2013; Cavelli et al 2015.